WO2009092582A1 - Vorrichtung und verfahren zum erfassen von strukturveränderungen eines bauteils - Google Patents

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WO2009092582A1
WO2009092582A1 PCT/EP2009/000392 EP2009000392W WO2009092582A1 WO 2009092582 A1 WO2009092582 A1 WO 2009092582A1 EP 2009000392 W EP2009000392 W EP 2009000392W WO 2009092582 A1 WO2009092582 A1 WO 2009092582A1
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sensor points
detection element
structural changes
sensor
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Thomas Becker
Jordi Sabater
Peter Sollberger
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Eads Deutschland Gmbh
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    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B15/06—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons for measuring the deformation in a solid
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0041—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress
    • G—PHYSICS
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0091—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by using electromagnetic excitation or detection

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting structural changes to a component by means of at least one detection element.
  • the invention further relates to a corresponding method for detecting structural changes on a component by means of at least one detection element.
  • Devices and methods for detecting structural changes are used in particular in the monitoring of mechanical components or components to detect changes in the structure of components.
  • Such changes in the structure of components indicate signs of wear, e.g. Stretching, cracking or other damage caused by mechanical stress. These signs of wear can lead to the partial or complete destruction of the component, for example by breakage.
  • detection elements For example, strain gauges or fiber grating sensors are used as detection elements. With this type of detection elements a real-time monitoring of a component is possible.
  • the connection of the detection elements with the component, for example by gluing, and the energy supply of the detection elements is problematic, since thereby the use of these detection devices is limited only to very limited measurement environments.
  • structural components of aircraft often have an aerodynamic disruptive effect associated with the application of sensors.
  • NDT / NDI Non Destructive Testing
  • the present invention is therefore based on the object to provide a device and a method of the type mentioned, in which a detection of structural changes during operation in a variety of measurement environments is possible.
  • the above object is achieved by a device for the detection of structural changes with the features of claim 1.
  • the device in question for detecting structural changes is designed and refined such that at least two sensor points are arranged on the component and that by means of the detection element, the spatial position of the sensor points on the component can be detected.
  • the sensor points can be designed, for example, as transmitters of radio signals and the detection elements as receivers of radio signals.
  • the above object is achieved by a method for detecting structural changes with the features of patent claim 8. Thereafter, the method in question for detecting structural changes is designed and refined such that at least two sensor points are arranged on the component and that by means of the detection element, the spatial position of the sensor points on the component is detected.
  • At least two sensor points are assigned to the component.
  • About the change in the spatial relationship of the sensor points to each other and / or to / -m detection element / -en conclusions on the change in the structure of the component can be drawn.
  • the arrangement and number of sensor points can be matched to the type of surface of the component.
  • the sensor points could be arranged uniformly or irregularly on the component.
  • the position and / or the positional relationship of the sensor points to one another and / or to the / m detection element (s) could preferably be detected and / or calibrated and / or stored during commissioning of the component or when inserting the sensor points.
  • suitable coordinate systems could be selected according to the shape of the component.
  • a model could be formed which could serve as the basis for detecting the change in the spatial position of the sensor points.
  • the spatial arrangement of the sensor points in the model at the time of calibration could be compared with the spatial arrangement of the sensor points at a later operating point.
  • a change in the spatial arrangement of the sensor points relative to one another and / or in relation to one or more detection elements / elements means a change in the structure of the component.
  • Such a change for example, an elongation, cracking but also a compression so overloads are generally the surface or the component itself.
  • the structural changes in the component can be easily localized.
  • further parameters for the structural changes could be used.
  • the spatial position of the sensor points could be detectable periodically by means of the detection element. Such a periodic acquisition would allow, depending on the choice of sampling time to detect changes in the structure during ongoing operation in a timely manner. As a result, the reliability of the component could be guaranteed, since the structural changes are detected, evaluated and, if necessary, countermeasures can be taken even when the changes occur. Additionally or alternatively, the spatial position of the sensor points could be detectable, for example, manually or at irregular intervals. In particular, a manual polling would mean a special flexibility.
  • the sensing element could be integrated in the sensor point, i. a sensor point can simultaneously receive the position information of one or more other sensor points in addition to transmitting its own position information.
  • a sensor point can simultaneously receive the position information of one or more other sensor points in addition to transmitting its own position information.
  • the sensor points could in this case be arranged on the surface in such a way that the surface could be monitored to a sufficient extent for overloads in any direction.
  • communication channels could be formed in a particularly advantageous manner in various variations, via which information could be exchanged between sensor points. The sensor points would then each monitor the spatial position of the other sensor points and detect changes.
  • the detection element could comprise at least one high-frequency transmitter and / or high-frequency receiver and / or a processor and / or a power module.
  • the frequency of this radio-frequency transmitter and receiver could advantageously be taken from the ISM band. al Scientific and Medical Band - be selected.
  • the frequency and the modulation type of the signal transmitted between the radio-frequency transmitter and receiver could be adapted to the selected communication standard. However, other frequency ranges than high frequency could be selected.
  • the sensor point could comprise at least one high-frequency transmitter and / or high-frequency receiver and / or a processor and / or a power module.
  • the frequency of this radio frequency transmitter and receiver could advantageously be selected from the ISM band - Industrial Scientific and Medical Band.
  • the high frequency and the modulation type of the signal transmitted between the high-frequency transmitter and receiver could be adapted to the selected communication standard.
  • other frequency ranges than high frequency could be selected.
  • the sensor points could be arranged at a distance of several centimeters to several decimetres. However, any other distance would be possible.
  • the distance between see could be detected at least two sensor points and / or the detection element.
  • the distance measurement could thus take place solely between the sensor points or solely between the sensor points and the detection element or both between the sensor points and the detection element.
  • Different methods of distance measurement could be used here.
  • the signal attenuation that results from the propagation of the signal wave could be calculated based on the model created with the calibration data. Then, based on the signal strength of the receiving signal - Received Signal Strength (RSS) - a comparison with the calibration data could be made and the changes in the attenuation calculated.
  • RSS Received Signal Strength
  • Changing the structure due to overload also alters / changes the communication channel (s) and their corresponding attenuation. This change can be detected, allowing conclusions to be drawn on the structural changes.
  • Another method of reliable measurement could be in the time domain by using the two-way ranging (TWT) method, measuring the time-of-flight (ToF) of the communication messages. If more than one receiving antenna is used, changes in the position of the transmitter can be detected, even if the ToF remains the same, as the phase of the signal in the antennas changes.
  • This method is known as Angle-of-Arrival (AoA).
  • the Time Differences of Arrival (TDoA) method could be used. By means of these methods, the size and / or the position of the overload could thus be detected in a particularly simple manner.
  • a wireless network for example a WLAN-Wireless Local Area Network-could be formed by the sensor points and / or the detection element.
  • the sensor points and / or the detection element could thus be formed as a wireless node.
  • a particularly simple and effective design and communication between the sensor points and / or the detection element would be possible.
  • the detection of the spatial position of the sensor points using known techniques, such as the location of mobile phones would be possible.
  • the method according to the invention can be supplemented with the corresponding method steps resulting from the operation of the apparatus described above.
  • a method for detecting structural changes on a component having at least one detection element and at least two sensor points permanently connected to the component, which are arranged on the component, could have some or all of the following steps: Detecting and / or calibrating and / or storing the position and / or the positional relationship of the sensor points to one another and / or to / m detection element (s);
  • a radio receiver it is possible for a radio receiver to record and evaluate the spatial position changes of sensors which, for example, can be designed as transmitters of radio signals propagating in all directions.
  • the receiver for receiving signals from adjacent sensors can be recorded in a sensor itself.
  • the determination as to whether a structure-changing positional change has taken place can take place on the basis of a comparison with a model determined by calibration in a ground state.
  • This model can be stored, for example, in the receiver or another suitable external and / or central storage and evaluation device, so that it can be called up at any time during operation in order to enable a corresponding online monitoring.
  • a spatial coordinate system is defined for the measurement and its evaluation, which enables the detection of changes in position of complicated components, such as an aircraft structure.
  • FIG. 1a in a schematic view, an embodiment of a device according to the invention with an intact surface, wherein the component is designed as an aircraft fuselage,
  • FIG. 1b shows a corresponding coordinate system for modeling the performance example of FIG. 1a, FIG.
  • FIG. 2a in a schematic view, the embodiment of Figure 1 in overloaded surface, wherein the component is designed as an aircraft fuselage, and
  • FIG. 2b shows a corresponding coordinate system for modeling the exemplary embodiment of FIG. 2a.
  • FIG. 1a A device according to the invention for detecting structural changes is shown in FIG. 1a.
  • the component is designed as a fuselage 1, wherein detection elements are provided.
  • the detection element is the spatial Position of the sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2 'detectable on the fuselage 1, wherein in this embodiment, the detection elements in the sensor point 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' are integrated and thus the detection element and the sensor point forms a unity.
  • the sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2 ' are arranged with respect to position and number on the fuselage 1 such that relevant structural changes A can be detected.
  • a calibration of the device in the ground state is first made in which no overloads on the fuselage 1 has occurred and the fuselage 1 is therefore intact. Due to the shape of the fuselage 1, a cylindrical coordinate system r, ⁇ , z is used to detect the spatial position. This is shown in Figs. 1b and 2b.
  • a model is obtained which serves as a reference for the data obtained during operation.
  • the spatial position of the sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2 ' is detected periodically in order to detect possibly occurring overload phenomena as promptly as possible.
  • the sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2 ' include a high-frequency transmitter and receiver, a processor which is designed as a microprocessor, and a power module.
  • the distance between the sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2 ' is detected by means of the AoA method.
  • the changed position of the sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e is determined by the changed phase of the transmitted between the sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e to the receiver antennas signal, whereby the structural change A is detected and the position and Size can be determined.
  • the sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2 ' form in this embodiment a wireless network, so that an online monitoring is performed by the communication unit of the aircraft.
  • the device described in this embodiment is operated by means of a likewise inventive method for detecting structural changes A on a component 1 by means of at least one detection element, wherein at least two sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2 'are arranged on the component 1 and the the spatial position of the sensor points 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2 'on the component 1 is detected by means of the detection element.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen (A) an einem Bauteil (1) mittels mindestens eines Erfassungselements ist im Hinblick auf das Ermöglichen einer Erfassung von Strukturveränderungen bei laufenden Betrieb in einer Vielzahl von Messumgebungen derart ausgebildet, dass am Bauteil (1) mindestens zwei Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') angeordnet sind und dass mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') am Bauteil (1) erfassbar ist. Ferner wird ein entsprechendes Verfahren beschrieben. Hierdurch wird eine Erfassung von Strukturveränderungen bei laufendem Betrieb in einer Vielzahl von Messumgebungen ermöglicht.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Strukturveränderungen eines Bauteils
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Strukturveränderungen an einem Bauteil mittels mindestens eines Erfassungselements. Die Erfindung betrifft des weiteren ein entsprechendes Verfahren zum Erfassen von Strukturver- änderungen an einem Bauteil mittels mindestens eines Erfassungselements.
Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung von Strukturveränderungen werden insbesondere im Bereich der Überwachung mechanischer Bauteile oder Komponenten eingesetzt, um Veränderungen an der Struktur von Bauteilen zu erfassen. Solche Veränderungen an der Struktur von Bauteilen deuten auf Verschleißerscheinungen hin, z.B. Dehnungen, Rissbildungen oder andere Schäden, welche durch mechanische Belastungen hervorgerufen werden. Diese Verschleißerscheinungen können zur teilweisen oder vollständigen Zerstörung des Bauteils führen, beispielsweise durch Bruch.
Derzeit werden solche Strukturveränderungen an einem Bauteil durch Erfassungselemente detektiert. Als Erfassungselemente werden beispielsweise Dehnmessstreifen oder Fasergittersensoren eingesetzt. Mit dieser Art von Erfassungselementen ist eine Echtzeitüberwachung eines Bauteils möglich. Jedoch ist die Verbindung der Erfassungselemente mit dem Bauteil, beispielsweise durch Klebung, und die Energieversorgung des Erfassungselementen problematisch, da dadurch der Einsatz dieser Erfassungsgeräte lediglich auf sehr limitierte Messumgebungen beschränkt ist. Ferner ist bei Strukturbauteilen von Luftfahrzeugen mit dem Aufbringen von Sensoren häufig ein aerodynamischer Störeffekt verbunden. Des weiteren sind NDT/NDI-Verfahren (Non Destructive Testing/Non Destructive Inspection) zur Erfassung von Strukturveränderungen bekannt. Diese Verfahren sind jedoch nicht während des Einsatzes des Bauteils einsetzbar, da sie keine Erfassung der entsprechenden Daten während des laufenden Betriebs ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen eine Erfassung von Strukturveränderungen bei laufenden Betrieb in einer Vielzahl von Messumgebungen ermöglich ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Er- fassung von Strukturveränderungen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen derart ausgestaltet und weitergebildet, dass am Bauteil mindestens zwei Sensorpunkte angeordnet sind und dass mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte am Bauteil erfassbar ist. Dabei kön- nen die Sensorpunkte beispielsweise als Sender von Funksignalen und die Erfassungselemente als Empfänger von Funksignalen ausgebildet sein.
Des weiteren wird die voranstehende Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erfassung von Strukturveränderungen mit den Merkmalen des Patentan- spruchs 8 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren zur Erfassung von Strukturveränderungen derart ausgestaltet und weitergebildet, dass am Bauteil mindestens zwei Sensorpunkte angeordnet sind und dass mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte am Bauteil erfasst wird.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass in Abkehr zu der bisherigen Praxis eine Verbesserung der Ersetzbarkeit von Erfassungselementen nicht allein dadurch erreicht wird, dass bekannten Erfassungselemente modifiziert werden. Zwar können durch eine Verbesserung von beispielsweise der Klebetechnik oder eine Minimierung der benötigten Energie Verbessungen der Einsetz- barkeit der Erfassungselemente erreicht werden, jedoch ist mit derartigen Maßnahmen eine generelle Verbreiterung der Einsatzumgebungen kaum möglich. Erfindungsgemäß ist daher erkannt worden, dass die Veränderung der Strukturer- änderung als eine direkte Erfassung der Veränderungen der räumliche Lage von Teilen der Struktur erfassbar ist.
Dies ist auf überraschend einfache und in technischer Hinsicht besonders raffinier- te Weise dadurch erreicht, dass dem Bauteil mindestens zwei Sensorpunkte zugeordnet sind. Über die Veränderung der räumlichen Beziehung der Sensorpunkte zueinander und/oder zu/-m Erfassungselement/-en lassen sich Rückschlüsse auf die Veränderung der Struktur des Bauteils ziehen. Hierzu können die Anordnung und Anzahl der Sensorpunkte auf die Art der Oberfläche des Bauteils abgestimmt werden. Je nach Bauteil und/oder Einsatz könnten die Sensorpunkte gleichförmig oder unregelmäßig auf dem Bauteil angeordnet sein. Die Lage und/oder die Lagebeziehung der Sensorpunkte zueinander und/oder zu/-m Erfassungselement/-en könnten vorzugsweise bei der Inbetriebnahme des Bauteils oder beim Einfügen der Sensorpunkte erfasst und/oder kalibriert und/oder gespeichert werden. Hierzu könnten entsprechend der Form des Bauteils geeignete Koordinatensysteme gewählt werden. Mittels einer solchen Kalibrierung könnte ein Modell gebildet werden, das als Grundlage der Erfassung der Veränderung der räumlichen Lage der Sensorpunkte dienen könnte. Hierzu könnte die räumliche Anordnung der Sensorpunkte im Modell zum Zeitpunkt der Kalibrierung mit der räumlichen Anordnung der Sensorpunkte bei einem späteren Betriebspunkt abgeglichen werden.
Da die Sensorpunkte in vorteilhafter Weise fest mit der Struktur des Bauteils verbunden sein können, bedeutet eine Veränderung der räumlichen Anordnung der Sensorpunkte zueinander und/oder in Bezug zu einem oder mehreren Erfas- sungselement/-en eine Veränderung der Struktur des Bauteils. Eine solche Veränderung kann beispielsweise eine Dehnung, eine Rissbildung aber auch eine Stauchung also Überlastungen allgemein der Oberfläche oder des Bauteils selbst sein. Besonders unter Berücksichtigung der Veränderung der Position und/oder der Information, welche Sensorpunkte betroffen sind, sind die Strukturveränderun- gen im Bauteil gut lokalisierbar. Es könnten zusätzlich oder alternativ zur räumlichen Lage der Sensorpunkte weitere Parameter zur Strukturveränderungen herangezogen werden. Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfin- dungsgemäßen Verfahrens ist dem gemäß eine Überwachung des Bauteils ohne den Einsatz von Sensoren im klassischen Sinn.
Im Hinblick auf eine besonders bevorzugte Ausgestaltung könnte die räumliche Lage der Sensorpunkte mittels des Erfassungselements periodisch erfassbar sein. Eine solche periodische Erfassung würde es je nach Wahl der Abtastzeit ermöglichen, eine Veränderungen der Struktur während des laufenden Betriebs zeitnah zu erfassen. Hierdurch könnte die Betriebssicherheit des Bauteils gewährleistet werden, da die Strukturveränderungen schon beim Auftreten der Veränderungen erfasst, ausgewertet werden und gegebenenfalls Gegenmaßnahmen getroffen werden können. Zusätzlich oder alternativ könnte die räumliche Lage der Sensorpunkte auf beispielsweise manuellen Abruf oder in unregelmäßigen Abständen erfassbar sein. Insbesondere ein manueller Abruf würde eine besondere Flexibilität bedeuten.
Im Rahmen einer einfachen Ausgestaltung könnte das Erfassungselement im Sensorpunkt integriert sein, d.h. ein Sensorpunkt kann neben dem Aussenden der eigenen Positionsinformation gleichzeitig die Positionsinformation eines oder mehrerer anderer Sensorpunkte empfangen. Hierdurch könnte ein autonomes System von Sensorpunkten geschaffen werden. Die Sensorpunkte könnten hierbei derart auf der Oberfläche angeordnet sind, dass die Oberfläche im hinreichenden Maße auf Überlastungen in jedwede Richtung überwacht werden könnte. Zwischen den einzelnen Sensorpunkten könnten in besonders vorteilhafter Weise in verschiedenen Variationen Kommunikationskanäle ausgebildet sein, über die Informationen zwischen Sensorpunkten ausgetauscht werden könnten. Die Sensorpunkte würden dann jeweils die räumliche Lage der jeweils anderen Sensorpunkte überwachen und Veränderungen detektieren.
In besonders vorteilhafter weise könnte das Erfassungselement mindestens einen Hochfrequenzsender und/oder Hochfrequenzempfänger und/oder einen Prozessor und/oder ein Leistungsmodul umfassen. Die Frequenz dieses Hochfrequenzsenders und -empfängers könnte in vorteilhafter Weise aus dem ISM-Band - Industri- al Scientific and Medical Band - ausgewählt sein. In weiter vorteilhafter Weise könnte die Frequenz und die Modulationsart des zwischen dem Hochfrequenzsender und -empfänger übermittelten Signals an den gewählten Kommunikationsstandart angepasst sein. Es könnten jedoch auch andere Frequenzbereiche als Hochfrequenz gewählt werden.
Zusätzlich oder alternativ könnte der Sensorpunkt mindestens einen Hochfrequenzsender und/oder Hochfrequenzempfänger und/oder einen Prozessor und/oder ein Leistungsmodul umfassen. Die Frequenz dieses Hochfrequenzsen- ders und -empfängers könnte in vorteilhafter Weise aus dem ISM-Band - Industri- al Scientific and Medical Band - ausgewählt sein. In weiter vorteilhafter Weise könnte die Hochfrequenz und die Modulationsart des zwischen dem Hochfrequenzsender und -empfänger übermittelten Signals an den gewählten Kommunikationsstandart angepasst sein. Es könnten jedoch auch andere Frequenzberei- che als Hochfrequenz gewählt werden. In Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz und/oder den erwarteten Überlastungserscheinungen könnten die Sensorpunkte in einer Distanz von mehreren Zentimetern bis zu mehreren Dezimetern angeordnet sein. Es wäre jedoch auch jedweder anderer Abstand möglich. Im Hinblick auf eine besonders einfache Ausgestaltung könnte die Distanz zwi- sehen mindestens zwei Sensorpunkten und/oder dem Erfassungselement erfassbar sein. Die Distanzmessung könnte somit alleinig zwischen den Sensorpunkten oder alleinig zwischen den Sensorpunkten und dem Erfassungselement oder sowohl zwischen den Sensorpunkten und dem Erfassungselement erfolgen. Hierbei könnten unterschiedliche Verfahren zur Distanzmessung verwendet werden. Bei- spielsweise könnte die Signaldämpfung, welche durch das Fortschreiten der Signalwelle entsteht, auf Basis des mit den Kalibrierungsdaten erstellten Modells berechnet werden. Dann könnte basierend auf der Signalstärke des empfangenden Signals - Received Signal Strength (RSS) - ein Vergleich mit den Kalibrierungsdaten erfolgen und die Änderungen der Dämpfung errechnet werden. Durch die Änderung der Struktur durch eine Überlastung ändert/ändern sich auch der oder die Kommunikationskanäle und deren entsprechende Dämpfung. Diese Änderung können detektiert werden, wodurch Rückschlüsse auf die Strukturänderungen gezogen werden können.
Ein weiteres Verfahren zur zuverlässigen Messung könnte in der Zeitdomäne durch die Verwendung des Two-Way-Ranging (TWT)-Verfahrens erfolgen, wobei die Time-of-Flight (ToF) der Kommunikationsnachrichten gemessen wird. Wenn mehr als eine Empfangsantenne verwendet wird, können Änderungen in der Position des Senders detektiert werden, auch wenn die ToF gleich bleibt, da sich die Phase des Signals in den Antennen verändert. Dieses Verfahren ist als Angle-of- Arrival (AoA) bekannt. Zur wiederum genaueren Messung könnte das Time- Differences-of-Arrival-(TDoA)-Verfahren verwendet werden. Mittels dieser Verfahren könnten somit auf besonders einfache Weise die Größe und/oder die Position der Überlastung erfasst werden.
In besonders bevorzugter Weise könnte durch die Sensorpunkte und/oder das Erfassungselement ein Wireless Network, beispielsweise ein WLAN - Wireless Lokal Area Network - gebildet sein. Die Sensorpunkte und/oder das Erfassungselement könnten somit als Wireless-Knoten ausgebildet sein. Hierdurch wäre eine besonders einfache und effektive Ausgestaltung und Kommunikation zwischen den Sensorpunkte und/oder dem Erfassungselement möglich. Zudem wäre die Erfassung der räumlichen Lage der Sensorpunkte mittels bekannter Techniken, beispielsweise der Ortung von Mobiltelefonen, ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den entsprechenden Verfahrensschrit- ten, die sich aus dem Betreiben der oben beschriebenen Vorrichtung ergeben, ergänzt werden.
Ein Verfahren zur Erfassung von Strukturveränderungen an einem Bauteil mit zumindest einem Erfassungselement und zumindest zwei fest mit dem Bauteil ver- bundenen Sensorpunkten, die am Bauteil angeordnet sind, könnte dabei einige oder alle der nachfolgenden Schritte aufweisen: - Erfassen und/oder Kalibrieren und/oder Speichern der Lage und/oder der Lagebeziehung der Sensorpunkte zueinander und/oder zu/-m Erfassungselement/-en;
- Bestimmen eines räumlichen Koordinatensystems entsprechend der Form des Bauteils und Erstellen eines Modells, das als Referenz für während des Betriebs gewonnene Daten dient;
- Erfassen der räumlichen Lage der Sensorpunkte am Bauteil (1) während des Betriebs mittels des Erfassungselements; und
- Vergleichen der räumlichen Anordnung der Sensorpunkte im Modell zum Zeitpunkt der Kalibrierung mit der räumlichen Anordnung der Sensorpunkte bei einem späteren Betriebspunkt;
- Beurteilung von Strukturveränderung unter Berücksichtigung der Veränderung der Position und/oder der Information, welcher Sensorpunkt betroffen ist.
Es können also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die räumlichen Lagever- änderungen von Sensoren, die beispielsweise als Sender von in alle Richtungen ausbreitenden Funksignalen ausgebildet sein können, von einem Funkempfänger aufgenommen und ausgewertet werden. Der Empfänger zum Empfang von Signalen benachbarter Sensoren kann dabei selbst in einem Sensor aufgenommen sein. Die Feststellung, ob eine strukturverändernde Lageveränderung stattgefun- den hat, kann dabei anhand eines Vergleichs mit einem durch Kalibrierung in einem Grundzustand ermittelten Modells stattfinden. Dieses Modell kann beispielsweise in dem Empfänger oder einem anderen geeigneten externen und/oder zentralen Speicher- und Auswertungseinrichtung abgespeichert werden, so dass es während des Betriebs jederzeit abrufbar ist, um ein entsprechendes online- monitoring zu ermöglichen. Für die Messung und deren Auswertung wird beispielsweise ein räumliches Koordinatensystem festgelegt, was die Erfassung von Lageveränderungen an komplizierten Bauteilen, wie z.B. einer Flugzeugstruktur, ermöglicht. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Sensoren im Sichtbereich angeordnet sind oder sich beispielsweise in Hinterscheidungen, beispielsweise eines Triebwerkseinlaufs, oder auf der Rückseite beispielsweise einer Tragfläche befinden. Beispielsweise lässt sich mit einem entsprechenden Sensorcluster ein vollständiges Health-Monitoring einer zu überwachenden Struktur ermöglichen. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Strukturänderungen zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Strukturänderungen an- hand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1a in einer schematischen Ansicht, ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei intakter Oberfläche, wobei das Bau- teil als Flugzeugrumpf ausgestaltet ist,
Fig. 1b ein entsprechende Koordinatensystem zur Modellbildung des Aufführungsbeispiels der Fig. 1a,
Fig. 2a in einer schematischen Ansicht, das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bei überlasteter Oberfläche, wobei das Bauteil als Flugzeugrumpf ausgestaltet ist, und
Fig. 2b ein entsprechende Koordinatensystem zur Modellbildung des Auffüh- rungsbeispiels der Fig. 2a.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen ist in Fig. 1a gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil als Flugzeugrumpf 1 ausgestaltet, wobei Erfassungselemente vorgesehen sind.
Erfindungsgemäß sind am Flugzeugrumpf 1 eine Vielzahl von Sensorpunkten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' angeordnet. Mittels des Erfassungselements ist die räumliche Lage der Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' am Flugzeugrumpf 1 erfassbar, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Erfassungselemente in den Sensorpunkt 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' integriert sind und somit das Erfassungselement und der Sensorpunkt eine Einheit bildet.
Die Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' sind im Bezug auf Position und Anzahl derart am Flugzeugrumpf 1 angeordnet, dass relevante Strukturveränderungen A erfassbar sind. Hierzu wird zunächst eine Kalibrierung der Vorrichtung im Grundzustand vorgenommen, in der noch keine Überlastungen am Flugzeugrumpf 1 aufgetreten ist und der Flugzeugrumpf 1 demnach intakt ist. Aufgrund der Form des Flugzeugrumpfs 1 wird zur Erfassung der räumlichen Position ein zylindrisches Koordinatensystem r, θ, z verwendet. Dieses ist in Fig. 1b und 2b gezeigt. Mittels der durch die Kalibrierung erhaltenden Daten wird ein Modell gewonnen, das als Referenz für die während des Betriebs gewonnen Daten dient.
Während des Flugs wird die räumliche Lage der Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' periodisch erfasst, um möglicherweise auftretende Überlastungserscheinungen möglichst zeitnah zu erfassen. Hierzu umfassen die Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' einen Hochfrequenzsender und -empfänger, einen Prozessor, der als Mik- roprozessor ausgestaltet ist, und ein Leistungsmodul. Die Kommunikationskanäle zwischen den Sensorpunkten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' sind als Strichverbindungen dargestellt.
Um eine in Fig. 2a gezeigte Strukturveränderung A im Flugzeugrumpf 1 zu erfas- sen, wird die Distanz zwischen den Sensorpunkten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' mittels des AoA-Verfahrens erfasst. Hierzu wird durch die veränderte Phase des zwischen den Sensorpunkten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e an die Empfängerantennen übermittelten Signals die veränderte Position der Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e ermittelt, wodurch die Strukturveränderung A detektiert wird und die Position und Größe ermittelt werden kann. Die Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' bilden in diesem Ausführungsbeispiel ein Wireless Network, so dass ein Online-Monitoring durch die Kommunikationseinheit des Flugzeugs erfolgt.
Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Vorrichtung wird mittels eines ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Strukturveränderungen A an einem Bauteil 1 mittels mindestens eines Erfassungselements betrieben, wobei am Bauteil 1 mindestens zwei Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' angeordnet sind und das mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensor- punkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' am Bauteil 1 erfasst wird.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die allgemeine Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen (A) an einem Bauteil (1) mittels mindestens eines Erfassungselements, dadurch gekennzeichnet, dass am Bauteil (1) mindestens zwei Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') angeordnet sind und dass mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') am Bauteil (1) er- fassbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Lage der Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') mittels des Erfassungselements periodisch erfassbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement im Sensorpunkt (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') integriert ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement mindestens einen Hochfrequenzsender und/oder
Hochfrequenzempfänger und/oder einen Prozessor und/oder ein Leistungsmodul umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorpunkt (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') mindestens einen Hochfrequenzsender und/oder Hochfrequenzempfänger und/oder einen Prozessor und/oder ein Leistungsmodul umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz zwischen mindestens zwei Sensorpunkten (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') und/oder dem Erfassungselement erfassbar ist.
7.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') und/oder das Erfassungselement ein Wi- reless Network, beispielsweise ein WLAN - Wireless Lokal Area Network - oder ein Bordkommunikationsnetz eines Luftfahrzeugs bilden.
8. Verfahren zur Erfassung von Strukturveränderungen (A) an einem Bauteil (1) mittels mindestens eines Erfassungselements, dadurch gekennzeichnet, dass am Bauteil (1) mindestens zwei Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') angeordnet sind und dass mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') am Bauteil (1) erfasst wird.
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